(57)【要約】      （修正有）【課題】高速検出カートリッジの測定変動を低減し、検出感度を向上させた光学検出システムを提供する。【解決手段】検出カートリッジ２１と、発光ユニット２２と、集光ユニット２３と、検出ユニット２４とを含む光学検出システムであって、検出カートリッジは、検出ライン２１１を有する。発光ユニットは、検出カートリッジの第１側２１３に設けられ、ビームを提供する。集光ユニットは、発光ユニットと検出カートリッジとの間に設けられ、発光ユニットが提供するビームを検出ラインに集光させる。ビームが検出ライン上に集光して形成した光スポットの直径は検出ラインの幅よりも小さい。検出ユニットは、検出カートリッジの第２側２１４に設けられ、検出ラインを透過するビームを受けて電気信号に変換する。【選択図】図２Ａ
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
検出カートリッジと、発光ユニットと、集光ユニットと、検出ユニットとを含む光学検出システムであって、
前記検出カートリッジは、検出ラインを有し、
前記発光ユニットは、前記検出カートリッジの第１側に設けられ、ビームを提供するように構成され、
前記集光ユニットは、前記発光ユニットと前記検出カートリッジとの間に設けられ、前記発光ユニットが提供する前記ビームを前記検出ラインに集光させるように構成され、前記ビームが前記該検出ライン上に集光して形成した光スポットの直径は前記検出ラインの幅よりも小さく、
前記検出ユニットは、前記検出カートリッジの第２側に設けられ、前記検出ラインを透過する前記ビームを電気信号に変換するように構成される、光学検出システム。
【請求項２】
前記第１側及び前記第２側はそれぞれ前記検出カートリッジの両反対側に位置する、請求項１に記載の光学検出システム。
【請求項３】
前記発光ユニットは発光ダイオードである、請求項１に記載の光学検出システム。
【請求項４】
前記集光ユニットは少なくとも１つの集光レンズを含む、請求項１に記載の光学検出システム。
【請求項５】
前記検出ユニットは光検出器である、請求項１に記載の光学検出システム。
【請求項６】
前記光スポットの直径は１ｍｍ未満である、請求項１に記載の光学検出システム。
【請求項７】
前記発光ユニット、前記集光ユニット及前記検出ユニットは同一光軸に配列される、請求項１に記載の光学検出システム。
【請求項８】
前記発光ユニット、前記集光ユニット及び前記検出ユニットは透過型光学モジュールを構成し、前記透過型光学モジュールは前記検出カートリッジのラテラルフロー方向に沿って移動して走査する、請求項１に記載の光学検出システム。
【請求項９】
前記検出ラインには、検出目標に特異的に反応可能な生体分子が固定され、前記生体分子は抗体又は抗原である、請求項１に記載の光学検出システム。
【請求項１０】
前記検出目標は呈色剤で標記された別の生体分子に結合し、前記呈色剤は金コロイド又は蛍光マーカーである、請求項９に記載の光学検出システム。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、光学検出システムに関し、特にバイオアッセイ装置の光学検出システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオアッセイ装置は、装置上に特定の生物材料（例えば、核酸又はタンパク質）を置き、被検体中の特定の生物材料と特異的に反応させ、反応後の信号を各種のセンサ又はセンシング物質で定量化することにより、生物反応を測定する装置である。従来のラテラルフロークロマトグラフィー法（Ｌａｔｅｒａｌ  Ｆｌｏｗ  Ａｓｓａｙ，ＬＦＡ）技術は、使用が便利で製造技術が成熟したので、高速バイオアッセイ関連分野で幅広く使用されている。例えば、従来の高速検出カートリッジでは、ラテラルフロークロマトグラフィー法により検出し、大孔径の微孔膜、例えば、ニトロセルロース膜（ｎｉｔｒｏｃｅｌｌｕｌｏｓｅ  ｍｅｍｂｒａｎｅ、ＮＣ膜）を担体として、特異的抗体又は抗原をＮＣ膜上に固定し、コロイド金（ｃｏｌｌｏｉｄａｌ  ｇｏｌｄ）粒子を呈色剤として被検体に検出しようとする抗体又は抗原が存在するか否かを検出する。
【０００３】
図１は、従来のバイオアッセイ技術の概略図を示す。図１に示すように、高速検出カートリッジ１は、ＮＣ膜１１と、サンプルパッド１２と、結合パッド１３と、及吸収パッド１４とを含み、結合パッド１３にコロイド金で標識された第１抗体（Ａｂ１−ＣＧＣ）を有し、ＮＣ膜１１上の検出ラインＴ（Ｔ−ｌｉｎｅ）に第２抗体Ａｂ２が固定され、コントロールラインＣ（Ｃ−ｌｉｎｅ）にコントロール抗体ｃＡｂが固定されている。當被検体Ｓがカセットの一端にあるサンプルパッド１２に滴下されると、液体は、毛細管現象により横方向（矢印に示す方向）に移動し、結合パッド１３上のコロイド金で標識された第１抗体（Ａｂ１−ＣＧＣ）と特異的な免疫反応が発生し、さらにＮＣ膜１１まで移動することで、被検体Ｓ中の抗原ＡｇがＮＣ膜１１の表面に固定された第２抗体Ａｂ２に捕捉され、経時的に検出ラインＴ上に集まり、検出ラインＴの光反射信号密度により、肉眼で見える呈色結果が得られる。検出ラインＴ及びコントロールラインＣがいずれも呈色する場合、陽性反応であることを示し、結合されていない標識物質は検出ラインＴを通って流動して吸収パッド１４に吸収される。
【０００４】
ラテラルフロークロマトグラフィー法では、目視で検出結果を判断する以外，反射型光学検出及びＣＭＯＳ映像キャプチャデバイスも一般的な判断技術である。しかしながら、目視で検出結果を判断する際に、人為的な判断差異に加えて、呈色が明らかではない弱い反応も誤判断を招く要因である。一方、反射型光学検出技術では、検出カートリッジの表面の色変化しか検出できず、カートリッジ繊維内部の色変化は検出信号中に反映できない。さらに、反射型光学検出信号は、カートリッジ表面と光学読み取り裝置との距離変化に影響されやすく、測定変動が比較的大きく、正確な機構と組み合わせて使用する必要があるので、ポータブル検出の要求を満たすことができない。
【０００５】
さらに、ＣＭＯＳ映像キャプチャデバイスでは、カメラで高速検出カートリッジの映像を撮影し、映像分析技術により特定の反応領域映像の色彩又は明暗を選択して定量化することができる。しかしながら、この技術は、目視判断の問題を解決できるが、その感度の判断限界は大幅に改善されていない。そこで、検出装置の便利性及び感度を如何に向上させるかは、検出カートリッジの読み取り装置の発展に関する重要な課題となっている。
【０００６】
以上の事情に鑑みて、従来技術の欠陥を改善するために、高速検出カートリッジの測定変動を低減し、検出感度を向上させる改良された光学検出システムを開発する必要がある。
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００７】
本考案は、高速検出カートリッジの測定変動を低減し、検出感度を向上させるために、改良された光学検出システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本考案は、検出カートリッジ、発光ユニット、集光ユニット、及び検出ユニットを含む光学検出システムを提供する。検出カートリッジは、検出ラインを有する。発光ユニットは、検出カートリッジの第１側に設けられ、ビームを提供するように構成される。集光ユニットは、発光ユニットと検出カートリッジとの間に設けられ、発光ユニットが提供するビームを検出ラインに集光させるように構成され、ビームが検出ラインに集光して形成した光スポットの直径が検出ラインの幅よりも小さい。検出ユニットは、検出カートリッジの第２側に設けられ、検出ラインを透過するビームを受けて電気信号に変換するように構成される。
【０００９】
一実施例において、第１側及び第２側は、それぞれ検出カートリッジの両反対側に位置する。
【００１０】
一実施例において、発光ユニットは、発光ダイオードである。
【００１１】
一実施例において、集光ユニットは、少なくとも１つの集光レンズ、好ましくは２つの集光レンズを含む。
【００１２】
一実施例において、検出ユニットは、光検出器であり、好ましくはフォトダイオードである。
【００１３】
一実施例において、光スポットの直径は、１ｍｍ未満である。
【００１４】
一実施例において、発光ユニット、集光ユニット、及び検出ユニットは、同一光軸に配列される。
【００１５】
一実施例において、発光ユニット、集光ユニット、及び検出ユニットは、透過型光学モジュールを構成し、透過型光学モジュールは、検出カートリッジのラテラルフロー方向に沿って移動して走査する。
【００１６】
一実施例において、検出カートリッジは、ニトロセルロース膜をキャリアとする。
【００１７】
一実施例において、検出ラインには、検出目標と特異的に反応可能な生体分子が固定され、生体分子は抗体又は抗原である。
【００１８】
一実施例において、検出目標は呈色剤で標識された生体分子と結合し、呈色剤は、金コロイド又は蛍光マーカーである。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】従来のバイオアッセイ技術の模式図である。
【図２Ａ】本考案に係る光学検出システムの模式図である。
【図２Ｂ】図２Ａの局所拡大図及び光スポットの模式図である。
【図３】理想的な検出カートリッジの透過光の波形図である。
【図４】透過光の波形に対する光スポットの直径の影響を示す。同図には、光スポットの直径は検出ラインの幅よりも大きい。
【図５】透過光の波形に対する光スポットの直径の影響を示す。同図には、光スポットの直径は検出ラインの幅よりも小さい。
【図６】異なる集光ユニットの光スポットの直径とブランク検出カートリッジの透過光信号との関係を示す。
【図７】ブランク検出カートリッジに対する２０個の集光ユニットの測定変動を示す。
【図８】異なる集光ユニットの光スポットの直径と検出カートリッジのＳ／Ｎ値との関係を示す。
【考案を実施するための形態】
【００２０】
以下、本考案の特徴及び利点を示す典型的な実施例を詳しく説明する。理解されるべきであることは、本考案の異なる態様には様々な変化があり、何れも本考案の範囲に含まれ、それについての説明及び図面は本質的に説明するためのものであり、本考案を制限するものではない。
【００２１】
本考案に係る光学検出システムは、主に微小光スポットを有する透過型光学モジュールを使用して高速検出カートリッジを走査することにより、カートリッジのバックグラウンド値の変動を低減し、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ値）及び感度を向上させ、その結果、検出信号が増強され、変動が低減される。本考案に係る光学検出システムは、高速検出カートリッジの光学信号の検出に使用される。前記高速検出カートリッジは、ラテラルフロークロマトグラフィー法により検出し、検出ライン（Ｔ  ｌｉｎｅ）及びコントロールライン（Ｃ  ｌｉｎｅ）を有し、検出ライン上に特異的な抗体抗原反応が発生して呈色すると、光学検出システムによりさらに測定し、検出結果を読み取ることができる。
【００２２】
図２Ａは、本考案の光学検出システムの模式図である。図２Ｂは、図２Ａの局所拡大図及び光スポットの模式図である。図２に示すように、光学検出システム２は、検出カートリッジ２１、発光ユニット２２、集光ユニット２３、及び検出ユニット２４を含む。検出カートリッジ２１は、検出ライン２１１及びコントロールライン２１２を有する。発光ユニット２２は、検出カートリッジ２１の第１側２１３に設けられ、ビームを提供するように構成される。集光ユニット２３は、同様に検出カートリッジ２１の第１側２１３に設けられ、発光ユニット２２と検出カートリッジ２１との間に設けられ、発光ユニット２２が提供するビームを検出カートリッジ２１の検出ライン２１１に集光するように構成され、ビームが検出ライン２１１上に集光して形成された光スポットの直径Ｄは、検出ライン２１１の幅Ｗよりも小さい。検出ユニット２４は、検出カートリッジ２１の第２側２１４に設けられ、検出ライン２１１を透過するビームを受けて電気信号に変換するように構成される。第１側２１３及び第２側２１４は、それぞれ検出カートリッジ２１の両反対側に位置する。言い換えれば、検出カートリッジ２１は、発光ユニット２２と検出ユニット２４との間に設けられ、又は検出カートリッジ２１は、集光ユニット２３と検出ユニット２４との間に設けられる。
【００２３】
一実施例において、発光ユニット２２は、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ，ＬＥＤ）であるが、これに限定されない。
【００２４】
一実施例において、集光ユニット２３は、少なくとも１つの集光レンズ、好ましくは２つの集光レンズを含むが、これに限定されない。
【００２５】
一実施例において、検出ユニット２４は、光検出器であり、好ましくはフォトダイオード（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）であるが、これに限定されない。
【００２６】
一実施例において、光スポットの直径Ｄは１ｍｍ未満であり、好ましくは０．５ｍｍから０．７５ｍｍであるが、これに限定されない。
【００２７】
一実施例において、検出カートリッジ２１は、ニトロセルロース膜（ＮＣ膜）をキャリアとする。検出ライン２１１には、検出目標に特異的に反応可能な生体分子、例えば、抗体又は抗原が固定され、かつ検出目標は、まず呈色剤で標記された生体分子に結合し、検出ライン２１１を通って流れるときに特異的反応を有する生体分子によって捕捉される。呈色剤は、金コロイド又は蛍光マーカーであってもよいが、これらに限定されない。
【００２８】
例えば、検出目標が抗原である場合、検出すべき抗原は、まず金コロイドで標記された第１抗体に結合し、検出ラインを通って流れるときに、さらに検出ラインに固定された第２抗体によって捕捉され、時間とともに検出ライン上に集まって呈色する。一方、コントロールラインには、第１抗体と結合可能なコントロール抗体が固定されるため同様に呈色することにより、効果的な検出のための対照群とすることができる。
【００２９】
本考案によれば、発光ユニット２２、集光ユニット２３及び検出ユニット２４は、透過型光学モジュール２５を構成し、発光ユニット２２、集光ユニット２３及び検出ユニット２４は、同一光軸に配列され、例えば、図２ＡのＹ軸方向に沿って配列される。一方、透過型光学モジュール２５の走査移動方向、検出カートリッジ２１のラテラルフロー方向及び検出ライン２１１の幅Ｗの延在方向は、Ｘ軸に平行である。検出中において、透過型光学モジュール２５は、例えば、検出カートリッジ２１のラテラルフロー方向（Ｘ軸方向）に沿って移動して走査し、検出ユニット２４により検出カートリッジ２１を透過した光信号を検出して電気信号に変換し、さらにアナログ／デジタル変換器（Ａｎａｌｏｇ−ｔｏ−ｄｉｇｉｔａｌ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ＡＤＣ）により変換することにより、それぞれバックグラウンド信号ＡＤＣＢ、検出ライン信号ＡＤＣＴ、及びコントロールライン信号ＡＤＣＣが得られる。図３は、理想的な検出カートリッジの透過光の波形図である。検出結果が陽性反応である場合、検出ライン２１１及びコントロールライン２１２がいずれも呈色するため、透過光信号を低減することにより、検出ライン２１１及びコントロールライン２１２には顕著な谷が現れる。
【００３０】
以上より、本考案は、光学検出システム２が透過型光学検出を使用し、つまり、発光ユニット２２及び検出ユニット２４がそれぞれ検出カートリッジ２１の両反対側に設けられ、発光ユニット２２が提供するビームが集光ユニット２３により集光した後、検出カートリッジ２１の検出ライン２１１上に照射した光スポットの直径Ｄが検出ライン２１１の幅Ｗよりも小さいことを特徴とする。この技術特徴により検出信号が増強され、変動が低減される原因は、以下に説明する。
【００３１】
図４及び図５は、透過光の波形に対する光スポットの直径の影響を示す。図４の光スポットの直径は、検出ラインの幅よりも大きく、図５の光スポットの直径は、検出ラインの幅よりも小さい。図４に示すように、光スポットの直径Ｄが検出カートリッジ２１上の検出ライン２１１の幅Ｗよりも大きい場合、検出ユニット２４は、検出ライン信号ＣＴ、検出ラインでのＮＣ膜信号ＣＢ１、及びブランクＮＣ膜信号ＣＢ２を収集できる。下式のように検出ユニット２４が吸収した光信号Ｓ１を計算する。
0003228001.tif 000003
【００３２】
図５に示すように、本考案に係る光学検出システム２では、発光ユニット２２と検出カートリッジ２１との間に集光ユニット２３が設けられ、検出カートリッジ２１の検出ライン２１１上に照射した光スポットの直径Ｄが小於検出ライン２１１の幅Ｗよりも小さい。これによって、検出ユニット２４は、検出ライン信号ＣＴ及び検出ラインでのＮＣ膜信号ＣＢ１のみを収集できる。下式のように検出ユニット２４が吸収した光信号Ｓ２を計算する。
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【００３３】
前記Ｓ１とＳ２との関係に基づいて、Ｓ２＞Ｓ１が算出される。従って、本考案に係る光学検出システム２は、検出カートリッジ２１の検出ライン２１１に照射した光スポットの直径Ｄを検出ライン２１１の幅Ｗをよりも小さくすることにより、Ｓ／Ｎ値を増大させることで感度を向上させることができ、Ｓ／Ｎ値を固定値にすることで変動性を低減させることもできる。また、図４及び図５から分かるように、光スポットの直径Ｄが検出ライン２１１の幅Ｗよりも小さい場合、得られた透過光の波形図には比較的顕著な鋭いピークの特徴がある。
【００３４】
一方、発光ユニット２２の温度はＮＣ膜の高速検出試験紙に影響を与える。通常、温度が上がると材料の高速検出試験紙は減少する。本考案は、発光ユニット２２と検出カートリッジ２１との間に集光ユニット２３を配置することにより、発光ユニット２２が検出カートリッジ２１に投影したビームにより材料の高速検出試験紙が影響されることで測定変動が発生することが回避される。
【００３５】
以下、実施例を通して、測定変動を低減し検出感度を向上できるという本考案に係る光学検出システムの効果を説明する。
【００３６】
図６は、異なる集光ユニットの光スポットの直径とブランク検出カートリッジの透過光信号との関係を示す。本実施例では、Ｔｒｏｐｏｎｉｎ  Ｉ高速検出試験紙を検出カートリッジとして選択し、その検出ライン幅が１ｍｍである。ラテラルフロークロマトグラフィー法によりブランク検体を検出し、それぞれ光スポットの直径が０．７５ｍｍ、１．５ｍｍ及び２．５ｍｍの３種類の集光ユニットを光学検出システムに取り付け、透過光の波形を測定し、Ｓ／Ｎ値（ＡＤＣＢ−ＡＣＴＴ／ＡＤＣＢ）を計算する。すべての集光ユニットについて、事前にＮＤ３．１のフィルタシートで光強度を補正する。光スポットの直径が小さいほど、同じ光強度まで補償するためにより高い発光電力が必要である。図６の結果から分かるように、光強度がほぼ同じになるように補正しても、異なる光スポットの直径は、ブランク検出カートリッジに対して変動を示す。光スポットの直径が大きいほど、ブランク検出カートリッジのバックグラウンド値は大きくなる。
【００３７】
従って、光学検出システムに集光ユニットを設け、スポットの直径を制御することにより、検出カートリッジの測定変動をさらに制御することができる。図７は、ブランク検出カートリッジに対する２０個の集光ユニットの測定変動を示す。本実施例において、実際には２０個の集光ユニットが比較され、この２０個の集光ユニットの光スポットの直径が０．５ｍｍから０．７５ｍｍに制御され、かつ各集光ユニットに対して透過光の波形を測定し、Ｓ／Ｎ値を計算する。図７の結果から分かるように、集光ユニットの光スポットの直径を０．５ｍｍから０．７５ｍｍに制御することにより、検出カートリッジの測定変動を１％未満に抑制できるので、測定変動を効果的に低減することができる。
【００３８】
図８は、異なる集光ユニットの光スポットの直径と検出カートリッジのＳ／Ｎ値との関係を示す。本実施例では、同様にＴｒｏｐｏｎｉｎ  Ｉ高速検出試験紙を検出カートリッジとして選択し、その検出ライン幅が１ｍｍである。ラテラルフロークロマトグラフィー法により１ｎｇ／ｍＬのＴｒｏｐｏｎｉｎ  Ｉを含む血清検体を検出し、性能を評価する。１０分間反応させた後、それぞれ光スポットの直径が０．７５ｍｍ、１．５ｍｍ及び２．５ｍｍの３種類の集光ユニットを光学検出システムに取り付け、透過光の波形を測定し、Ｓ／Ｎ値（ＡＤＣＢ−ＡＣＴＴ／ＡＤＣＢ）を計算する。図８の結果から分かるように、光スポットの直径が０．７５ｍｍであり、検出カートリッジの検出ライン幅１ｍｍよりも小さい場合、最大のＳ／Ｎ信号が得られ、検出感度を効果的に向上できる。
【００３９】
上記より、本考案に係る光学検出システムは、透過型光学検出を使用し、発光ユニット及び検出ユニットをそれぞれ検出カートリッジの両反対側に設け、集光ユニットを発光ユニットと検出カートリッジとの間に設けて発光ユニットが提供するビームを検出カートリッジの検出ラインに集光させ、光スポットの直径を検出ラインの幅よりも小さくすることにより、カートリッジバックグラウンド値の変動を低減し、信号対雑音比及び感度を向上させ、これによって、効果的に検出信号を増強させ、変動を低減することができ、ユーザに便利で標準的な定量分析を提供することができる。
【００４０】
上記実施例により本考案を詳しく説明したが、本考案はこれらの実施例に限定されない。本考案の趣旨から逸脱しない限り、当業者が本考案に加えた修飾は、いずれも添付する特許請求の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４１】
１：高速検出カートリッジ
１１：ＮＣ膜
１２：サンプルパッド
１３：結合パッド
１４：吸収パッド
Ｓ：検出すべき検体
Ａｇ：抗原
Ａｂ１−ＣＧＣ：金コロイドで標記された第１抗体
Ａｂ２：第２抗体
ｃＡｂ：コントロール抗体
Ｔ：検出ライン
Ｃ：コントロールライン
２：光学検出システム
２１：検出カートリッジ
２１１：検出ライン
２１２：コントロールライン
２１３：第１側
２１４：第２側
２２：発光ユニット
２３：集光ユニット
２４：検出ユニット
２５：透過型光学モジュール
Ｄ：光スポットの直径
Ｗ：検出ライン幅
Ｘ：Ｘ軸
Ｙ：Ｙ軸
ＡＤＣＢ：バックグラウンド信号
ＡＤＣＴ：検出ライン信号
ＡＤＣＣ：コントロールライン信号
ＣＴ：検出ライン信号
ＣＢ１：検出ラインでのＮＣ膜信号
ＣＢ２：ブランクＮＣ膜信号
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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